一种抗应力腐蚀的低合金锚索及其制备方法与流程

1.本发明属于锚索加工技术领域，具体涉及一种抗应力腐蚀的低合金锚索及其制备方法。


背景技术：

2.锚索是锚固支护的主要材料，配合锚杆可以扩大锚固支护的应用范围，显著提升支护结构的稳定性。随着锚索使用量逐年攀升，锚索服役环境也逐年恶化。调研统计发现，国内外锚索因部分钢绞线发生应力腐蚀及氢脆导致的断裂事故十分常见，其中多个案例中甚至出现服役时间低于2年的锚索，服役6至8年后几乎所有锚索加固工程案例中均可检测到腐蚀断裂失效的锚索。由此可见，应力腐蚀是锚索失效的一种主要破坏形式，严重威胁其使用寿命和服役安全。
3.传统锚索钢材料中合金含量极低，主要的合金元素也仅用于强度提升，而对于耐蚀性的提升效果微乎其微。然而，对于处于高强度服役环境中的锚索通常与氯离子、硫化物、碳酸盐、硫酸盐和微生物等介质发生交互作用，极易产生应力腐蚀开裂。目前商用矿用锚索钢在矿下的应力腐蚀敏感性较高，应力腐蚀敏感性普遍在90%以上（高应力腐蚀风险级）。因此，通过微合金化提升材料的耐蚀性，从而获得一种新型的抗应力腐蚀锚索，以降低锚索腐蚀失效和提升锚索钢服役寿命具有重大意义。但由于锚索材料强度超高，一般要求1860mpa级以上，这对合金成分的设计及可制备加工性能具有苛刻的要求，导致耐腐蚀断裂型高强度锚索研发困难。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种抗应力腐蚀的低合金锚索及其制备方法。本发明开发的低合金锚索具有力学性能稳定、抗应力腐蚀优异等特点。
5.本发明是采用以下技术方案实现的：一种抗应力腐蚀的低合金锚索，包括以下质量百分数的化学成分：c：0.4~0.6%，si：0.2~0.25%，mn：0.7~0.9%，cr：0.1~0.5%，ni：1.2~1.8%，sb：0.04~0.06%，nb：0.03~0.05%，cu：0.4%~0.6%；其余为fe以及不可避免的杂质。
6.本发明的主要合金元素含量基于以下原理：c的影响：c是钢中最基本的元素，也是强化作用最好的合金元素之一。强度增加通过增加碳和碳当量元素含量来实现。因此，本发明采用高碳设计来提高锚索的抗拉强度和屈服强度，c元素含量设定在0.4%~0.6%。
7.si的影响：si在钢中具有固溶强化的作用，同时适量的si还有利于细化α-feooh，从而降低钢的整体腐蚀速率，与其他元素如cr、cu等配合使用可有效地改善钢的耐蚀性。但钢中si含量太高会降低冷拔性能。因此本发明中si元素含量设定在0.2%~0.25%。
8.mn的影响：mn是合金元素中对钢强度及其韧性都有良好作用的元素。但mn含量不宜过高，过高的mn反而会使晶粒粗化和增加回火脆性的倾向，因此本发明中mn元素含量设定在0.7%~0.9%。
9.cr的影响：cr元素能够有效地改善钢的耐腐蚀性能，cr可以促进不稳定的γ-feooh转化为稳定的α-feooh，细化锈层晶粒，提高锈层的致密性和稳定性。同时cr元素能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时也能增加锈层内部的酸化程度、增加材料的腐蚀脆性和降低钢的塑性，综合考虑本发明中cr元素含量设定在0.1%~0.5%。
10.ni的影响：ni是本发明中用于调控耐腐蚀性应力腐蚀性能的主要元素，其合理添加具有多重功能，包括优化锚索钢的加工性能和微观组织，使锚索钢自腐蚀电位正向移动、增加其抗析氢机制的应力腐蚀的能力，提高锈层阻碍腐蚀性离子侵入能力。同时，ni与cu、sb具有协同的耐应力腐蚀能力。但ni的价格昂贵，综合考虑本发明中ni元素含量设定在1.2%~1.8%。
11.cu-sb的影响： cu-sb联合添加有利于提高锚索钢热成型过程的晶粒度，并能提高裂纹尖端ph、增加裂纹尖端腐蚀电化学阻力。但cu或sb含量偏高会明显降低锚索钢的塑性、增加应力腐蚀敏感性。本发明cu-sb最优添加比例约10:1，ni-cu质量比＞2.5，否则会降低材料力学性能和应力腐蚀抗力。因此本发明中cu元素含量设定在0.4%~0.6%，sb元素含量设定在0.04%~0.06%。
12.nb的影响：nb通过细化晶粒的方式提高材料的强度和韧性，综合改善材料的力学性能；添加小于0.1%的nb元素可通过形成纳米相细化晶粒，改善力学性能，有效降低位错密度，减少晶界数量，降低局部应力集中，从而延缓氢致开裂的萌生和扩展。同时，nb的添加能够降低氢在材料中的扩散，进而抑制氢致开裂机制，延缓应力腐蚀的过程。但nb含量超过0.05%会降低锚索钢的塑性和冷拔性能。因此，本发明中sb元素含量设定在0.03~0.05%。
13.本发明还提供了所述抗应力腐蚀的低合金锚索的制备方法，该方法包括以下步骤：（1）按锚索所述化学成分配制原料，并冶炼得到钢水；然后将钢水进行铸造成铸坯；（2）将所述铸坯进行轧制，所述轧制温度为950~1030℃，轧制10~12道次后制成钢丝；（3）将所述钢丝进行喷雾冷却至400~450℃，生成索氏体组织；（4）空冷至室温后进行冷拔；（5）将冷拔后的钢丝在200~300℃下保温2~5h，得到锚索。
14.优选的，步骤（2）的终轧温度为850~900℃，所述钢丝的直径为12mm。
15.优选的，步骤（3）所述冷却速率为10-20℃/s。
16.优选的，步骤（4）冷拔道次为4次，冷拔后的钢丝直径为6mm。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所述锚索的原料成本低，具有良好的产业和商业前景；本发明所述锚索具有优异的耐应力腐蚀性能，且具本发明锚索在矿井水环境下使用，仍具有优良的抗应力腐蚀特性；本发明所述锚索加工简单且加工难度低，易于工业生产和推广。
附图说明
18.图1为本发明实施例1所述锚索的金相组织图；图2为本发明实施例2所述锚索的金相组织图；
图3为本发明实施例3所述锚索的金相组织图；图4为本发明对比例1普通锚索的金相组织图；图5为本发明实施例1-3和对比例1的应力腐蚀敏感性指标。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.除非另有定义，所有在此使用的技术和科学术语，和本发明所属领域内的技术人员所通常理解的意思相同，在此公开引用及他们引用的材料都将以引用的方式被并入。
21.本领域技术人员意识到的通过常规实验就能了解到的描述的特定实施方案的等同技术，都将包含在本技术中。
22.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的仪器设备，如无特殊说明，均为实验室常规仪器设备。
23.实施例1：一种抗应力腐蚀的低合金锚索，其含有以下质量百分数的化学成分：c：0.6%，mn：0.8%，si：0.21%，cr：0.2%， ni：1.48%，cu：0.51%，sb：0.06%，nb：0.049%，其余为fe和不可避免的杂质。
24.本发明所述低合金锚索的制备方法如下：通过真空感应炉，按照上述化学成分进行冶炼得到高纯净钢水，然后制成铸坯；将铸坯控温至1030℃开轧，随后经过12道次轧制，终轧温度在850℃之间，形成直径为12mm的钢丝；将轧制后的钢丝经过喷雾冷却至420℃，冷却速率约15℃/s；然后在空气中冷却至室温。之后经过四道冷拔至直径6mm钢丝。冷拔后在250℃保温2h，最终制成锚索成品。本实施例抗应力腐蚀锚索的金相组织见图1，可见其组织为索氏体组织。
25.实施例2：一种抗应力腐蚀的低合金锚索，其含有以下质量百分数的化学成分：c：0.53%，mn：0.8%，si：0.21%，cr：0.2%，ni：1.65%，cu：0.45%，sb：0.04%, nb：0.046%，其余为fe和不可避免的杂质。制备工艺与实施例1相同。本实施例抗应力腐蚀锚索的金相组织见图2，由图可见其组织为索氏体组织。
26.实施例3：抗应力腐蚀的低合金锚索，其含有以下质量百分数的化学成分：c：0.44%，mn：0.8%，si：0.21%，cr：0.5%， ni：1.80%，cu：0.45%，sb：0.05%, nb：0.05%，其余为fe和不可避免的杂质。制备工艺与实施例1相同。本实施例抗应力腐蚀锚索的金相组织见图3，由图可见其组织为索氏体组织。
27.对比例1：一种低合金锚索，其含有以下质量百分数的化学成分：c：0.71%，mn：0.8%，si：0.21%，cr：0.2%，其余为fe和不可避免的杂质。制备工艺与实施例1相同。本对比例制备的锚索的金相组织见图4，由图4可见其组织为索氏体组织。
28.对实施例和对比例所制得的锚索进行了测试，其力学性能如表1所示。
29.表1 锚索力学性能
通过应力-应变曲线分析不同试样的应力腐蚀敏感性，测量断面收缩率损失和延伸率损失，结果如图5所示。可见，实施例1-3制备的锚索具有比对比例更低的应力腐蚀敏感性，即本发明能够有效提高锚索的抗应力腐蚀开裂性能。
30.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种抗应力腐蚀的低合金锚索，其特征在于，包括以下质量百分数的化学成分：c：0.4~0.6%，si：0.2~0.25%，mn：0.7~0.9%，cr：0.1~0.5%，ni：1.2~1.8%，sb：0.04~0.06%，nb：0.03~0.05%，cu：0.4%~0.6%；其余为fe以及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述抗应力腐蚀的低合金锚索，其特征在于，所述低合金锚索钢中ni与cu的质量比大于2.5。3.制备权利要求1或2所述抗应力腐蚀的低合金锚索的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按所述化学成分配制原料，并冶炼得到钢水；然后将钢水进行铸造成铸坯；（2）将所述铸坯进行轧制，所述轧制温度为950~1030℃，轧制10~12道次后制成钢丝；（3）将所述钢丝进行喷雾冷却至400~450℃，生成索氏体组织；（4）空冷至室温后进行冷拔；（5）将冷拔后的钢丝在200~300℃下保温2~5h，得到锚索。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）的终轧温度为850~900℃，所述钢丝的直径为12mm。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述冷却速率为10-20℃/s。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）冷拔道次为4次，冷拔后的钢丝直径为6mm。

技术总结
本发明公开了一种抗应力腐蚀的低合金锚索及其制备方法，涉及锚索加工技术领域。本发明低合金锚索中含有以下质量百分数的化学成分：C：0.4~0.6%，Si：0.2~0.25%，Mn：0.7~0.9%，Cr：0.1~0.5%，Ni：1.2~1.8%，Sb：0.04~0.06%，Nb：0.03~0.05%，Cu：0.4%~0.6%；其余为Fe以及不可避免的杂质。本发明锚索的原料成本低，具有良好的产业和商业前景；同时还具有优异的耐应力腐蚀性能，在矿井水环境下使用，仍具有优良的抗应力腐蚀特性；本发明所述锚索加工简单且加工难度低，易于工业生产和推广。易于工业生产和推广。易于工业生产和推广。


技术研发人员：都海龙 刘智勇 马赛 孙宝壮 王俊红 洪优 陶广美 吴伟 张晋斌 李永亮 朱德智 杨仁树 王建彬 李晓刚 王萌 张江利 朱永辉 王朋卫 陈志强 原小路 马晋琴
受保护的技术使用者：晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/18